鋁/不銹鋼電磁脈沖焊接界面組織性能分析

遲露鑫，袁世鑫，劉 超

(1.重慶理工大學 材料科學與工程學院， 重慶 400054； 2.特種焊接材料與技術重慶市高校工程研究中心(重慶理工大學)， 重慶 400054)

輕量化設計是降低能耗最直接、最有效的手段，因此鋁合金成為傳統(tǒng)鋼材的替代品。然而，這種鋁/鋼高強度焊接存在很多難題，由于鋁合金與鋼熔點相差很大，采用釬焊或熔焊的方法無法得到成分均勻的焊縫，其熱導率、膨脹系數(shù)、比熱也存在較大差異，造成焊接過程非對稱溫度場和較大的接頭殘余應力。另外，最關鍵的問題是當生成金屬間化合物達到一定厚度時，脆性金屬間化合物在很小的應力下就會開裂，直接決定接頭使用安全[1]。

目前，學者們采用釬焊方法控制界面反應物[2-4]，并取得了良好的效果。然而，鋁/鋼釬料一直沒有突破進展。還有些學者利用激光熔釬焊鋁鋼[5-7]，但是由于熔點相差很大，不能保證接頭成分的均勻性。采用固相焊的方法雖能很大程度上減緩脆性金屬間化合物的生成，但受到焊件形狀、尺寸的限制，也不能完全解決鋁/鋼的焊接問題[8-9]。

新型的電磁脈沖焊接技術具有無熱影響區(qū)、大幅減少金屬間相、消除因金屬熔化產(chǎn)生的應力、顯著提高接頭強度和耐蝕性能等優(yōu)點，各汽車強國已經(jīng)采用電磁脈沖焊接技術由鋁合金替代原有鋼板實現(xiàn)汽車輕量化。然而，在國內，一些高等院校、科研機構采用自制或外購20 kJ電磁脈沖焊接設備進行工藝和試驗方面研究，無法工業(yè)化生產(chǎn)。更重要的是，外國對80 kJ以上的電磁脈沖焊接設備明令禁止出售給中國。因此，本研究嘗試利用改進的70 kJ電磁脈沖設備，實現(xiàn)鋁/鋼異種金屬焊接，并探討其焊接界面形貌及性能變化規(guī)律，結果可為企業(yè)電磁脈沖焊接實際應用提供數(shù)據(jù)指導作用。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗中采用6061鋁合金板和304不銹鋼，其化學成分如表1、2所示。試件規(guī)格為75 mm×20 mm×2 mm。進行搭接焊，電磁脈沖焊接的搭接長度決定了焊縫長度，從而影響間隙內磁場分布和鋁合金碰撞鋼板時的優(yōu)先變形位置、碰撞速度、撞擊角度等，因此，設計試件搭接工裝保證焊合率，其結構形式、焊縫形狀如圖1所示。經(jīng)過大量實驗，確定最佳工藝參數(shù)：焊接電流為750 kA，電壓為17 kV，頻率為18 kHz，搭接長度為20 mm，間隙為1.8 mm。

表1 6061鋁合金化學成分(質量分數(shù)，%)

表2 304不銹鋼化學成分(質量分數(shù)，%)

圖1 焊接接頭搭接形式

1.2 實驗方法

根據(jù)物理學電磁感應定律，線圈通過脈沖電流的作用產(chǎn)生一個交變磁場。同時，外層工件產(chǎn)生感應電流，感應電流產(chǎn)生的磁場與線圈磁場相互作用，線圈和外層工件之間就出現(xiàn)斥力，導致外層工件以極快的運動速度向內層工件碰撞而形成焊接。電磁脈沖焊接原理如圖2所示。

圖2 電磁脈沖焊接原理

2 結果與分析

2.1 接頭界面形貌

將鋁/鋼電磁脈沖焊接試樣沿著焊縫水平方向切割金相試樣，砂紙磨制、拋光后，再用4%硝酸酒精作為腐蝕劑，腐蝕4～5 s，先用水沖洗，再用酒精清洗，吹干后，掃描電鏡下觀察界面形貌，如圖3所示。

在鋁板高速撞擊鋼板的過程中，兩板之間產(chǎn)生金屬射流，試板表面的油污、雜質、氧化膜在射流作用下被沖刷掉，露出光鮮的表面，實現(xiàn)原子鍵結合，因此，這種金屬射流的狀態(tài)是判斷電磁脈沖焊接焊合與否的重要標志，焊接接頭界面的波形形貌是判斷焊接質量好壞的主要指標。由圖3(a)可知：在一定的碰撞速度下，撞擊區(qū)壓力大于材料塑性應變的動態(tài)屈服強度，使得材料發(fā)生了橫向和縱向運動，形成了波狀的結合界面形貌。由卡門旋渦理論可知：界面波幅和波長的比值是0.27，界面比較穩(wěn)定，實現(xiàn)了接頭良好結合。然而，焊接接頭結合界面的不同位置在沖擊壓力作用下的變形程度不同，在高倍下觀察到在波前壓力較小的位置，沿著界面形成一定的旋渦，如圖3(b)所示，能量存在差值，就會在旋渦產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷，嚴重降低了接頭性能，直接影響構件使用安全。

圖3 焊接接頭界面形貌

2.2 界面成分分析

在電磁脈沖焊接過程中，兩工件瞬間發(fā)生高速碰撞，鋁/鋼元素發(fā)生擴散，采用能譜分析儀對焊縫界面區(qū)域進行掃描，界面成分分析結果如圖4所示。

圖4 接頭界面成分分析

由圖4(a)可知：鋁鋼界面之間存在寬度不均、顏色與基體顏色不同的過渡區(qū)。由線掃描可知：過渡區(qū)寬度在5～13 μm，存在鋁元素和鐵元素，且2種元素含量在過渡區(qū)中向另一側基體擴散的過程中逐漸降低，在一定范圍內呈近似平臺狀分布，鋁含量高于鐵、鉻含量，并按一定比例分布，說明電磁脈沖焊接瞬時發(fā)生了局部熔化，碰撞瞬時原子鍵重組，有金屬間化合物生成。結合圖4(b)對過渡層進行多個點掃描，結果平均為(原子分數(shù)，%):鋁75.33，鐵23.23，鉻1.44。能譜分析點掃描結果與線元素擴散分布一致，結合鋁鐵二元相圖，推斷生成FeAl3金屬間化合物。

2.3 界面顯微硬度分析

以鋁/鋼電磁脈沖焊接界面中心為基點，每間隔0.2 mm測量顯微硬度，在路徑1、路徑2和路徑3相同位置上測試硬度，取其平均值，結果如圖5所示。

圖5 接頭界面硬度曲線

由圖5鋁鋼電磁脈沖焊接接頭界面顯微硬度曲線可知：從鋁側到結合界面的硬度逐漸增大，且在結合界面處的硬度遠高于鋁側的硬度，從66 HV增大到120 HV，不銹鋼到結合界面的硬度逐漸減小，從210 HV減小到120 HV，說明鋁元素、鐵元素都擴散到界面及基體側，導致鋁側硬度增大，鋼側硬度減小。由于界面局部熔化，金屬間化合物的生成使得結合界面硬度增大。

2.4 斷口形貌分析

對鋁/鋼電磁脈沖焊接試樣按GB/T228—2002做拉伸實驗。按圖6的尺寸進行加工，實驗斷裂位置均在鋁側接頭處，抗拉強度均為98.5 MPa，并對試樣斷口進行掃描，結果如圖7所示。同時，為了掌握焊縫的密封性，按CJ/T151—2001的標準進行水下氣密性實驗，實驗壓力為0.6 MPa。將焊件完全浸入水中保持20 s后，觀察接頭無氣泡出現(xiàn)，說明鋁鋼電磁脈沖焊接接頭連接質量可靠性非常好。

圖6 拉伸試樣尺寸

圖7 拉伸斷口分析

由金屬塑性變形理論，鋁合金動態(tài)變形經(jīng)歷硬化階段、軟化階段和斷裂階段，位錯或溶質原子的固溶強化造成硬化，在變形過程的空洞形核、長大，導致材料軟化并斷裂。由圖7(a)可知：斷口呈韌窩塑性斷裂，韌窩大小、深淺不一，且在基體表面或韌窩里存在大量雜質或第二相，固溶強化的鋁合金存在大量的溶質原子，在拉伸變形過程中成為析出物，隨著拉伸變形量的增加，與基體脫離形成空洞。這種大量的空洞聚合，直至斷裂，呈現(xiàn)較深的韌窩，如圖7(b)所示。

3 結論

1) 在焊接電流750 kA，電壓17 kV，頻率18 kHz的參數(shù)下實現(xiàn)鋁鋼電磁脈沖良好焊接，結合界面呈波狀形貌，且界面波幅和波長比值是0.27，界面比較穩(wěn)定。

2) 鋁鋼界面之間存在5～13 μm過渡區(qū)，呈平臺狀分布，鋁原子分數(shù)為75.33%，鐵原子分數(shù)為23.23%，鉻原子分數(shù)為1.44%，鋁基體到結合界面硬度逐漸增大，鋼基體到結合界面硬度逐漸減小，推斷生成FeAl3金屬間化合物。

3) 拉伸實驗表明：斷裂位置在鋁合金近搭接接頭處，斷口形貌呈現(xiàn)大小、深淺不一的韌窩塑性斷裂，是典型第二相粒子產(chǎn)生空洞形核后的長大、聚集和斷裂的特征。

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